تحریک نور سلول عصبی جهش کانال رودوپسین-۲

تحریک نور سلول عصبی جهش کانال رودوپسین-۲ – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

مطالعه مدل بندی تحریک نور برای یک سلول عصبی با جهش زاهای کانال رودوپسین-۲

چکیده

کانال رودوپسین-۲ (ChR2) ابزاری است که به گستردگی برای تحریک نورونها با نور مورد استفاده قرار گرفته است. با این وجود، دینامیک اساسی اسپایک ها (ولتاژهای گذرای کوتاه مدت و نوک تیز) برانگیخته- ChR2 هنوز تاکنون به طور کامل درک نشده است. در اینجا، ما مدلی را ابداع کرده ایم که پاسخ نورونهای بیانگر- ChR2 به تحریک نور را توصیف می کند و از این مدل برای بررسی فرایند نور- به- اسپایک استفاده کرده ایم. ما نشان می دهیم که بازده تحریک نوری هنگامی بدست می آید که انرژیهای نوری به پالسهای کوتاه حمل شوند. این مدل به ما اجازه می دهد که اثرات استفاده از انواع مختلف جهش زاها / جهش یافته های ChR2 را به صورت تئوری بررسی کنیم. ما نشان می دهیم که در عین آن که افزایش طول عمر و سرعت باز و بسته نمودن / شاترینگ ChR2  اثرات محدودی دارند، کاهش تابش آستانه بوسیله افزایش رسانایی سبب حذف انطباق شده و محدوده دینامیکی ثابتی را امکان پذیر می سازد. این مدل و نتایج ارائه شده در این تحقیق می تواند به تفسیر نتایج تجربی، پروتکل های روشن سازی طرح و جستجوی راهکارهای اصلاحی در حوزه نوظهور اوپتوژنتیک کمک نماید.

کلمات کلیدی: بیوفیزیک، کانال رودوپسین-۲ (ChR2)، مدل بندی، تحریک عصبی، اوپتوژنتیک.

تحریک نور سلول عصبی جهش کانال رودوپسین-۲

۱- مقدمه

جامعه مهندسی چندین سال است که به تحریک عصبی هم از لحاظ تحقیق پایه و هم از نظر تداخل دارویی علاقمند شده است. کشف کمپلکس کانال رودوپسین-۲ در سال ۲۰۰۳ ]۱[ واسطه نوری جدیدی با سلولهای عصبی تولید کرد. این حوزه جدید ” اوپتوژنتیک” بر اساس حساسیت زایی نوری ژنتیکی و تحریک نوری سلولهای عصبی استوار است. حساسیت زایی نوری بوسیله مهندسی ژنتیک نورونهای “کور” برای توضیح کانالهای یونی حساس به نور یا پمپهای یونی حاصل می شود. پالسهای نور این کانالها و/ یا پمپها را برای عبور یونها در عرض غشای سلول عصبی فعال می کنند، بنابراین واقطبیدگی یا ابرقطبیدگی- اساس جریان اطلاعات عصبی روی میدهد. قدرت این تکنیک بر روی نورونها اولین بار بوسیله بویدن و همکارانش نشان داده شد]۲[. در صورتی که حساسیت زایی پروتئینها را بتوان به انواع خاصی از نورونها به صورت ژنتیکی مهندسی نمود، محققین قادر خواهند بود تا از این تکنیک برای بررسی مدارهای پیچیده مغزی و بیماریهای عصب شناسی (نورولوژی) و روانپزشکی نظیر بیماریهای صرع و پارکینسون استفاده کنند. به عبارت دیگر، از تکنولوژی اوپتوژنتیک می توان برای تولید شکلهایی از اندامهای مصنوعی اوپتوالکترونیکی جهت درمان نابینایی]۳[ و ضایعات نخاعی ]۴[ استفاده کرد.

در این مقاله، مدلی را ارائه داده ایم که سینتیک چرخه نوری ChR2 و تئوری کابل غیر خطی را برای توصیف پاسخ نورونهای بیانگر ChR2 به تحریک نور ترکیب نماید(شکل۱). القای رسانایی ChR2 با نور با چهار تابع حالت مدل بندی میشود. اثر رسانایی القایی بر نورون با یک مدل کابلی تعیین میشود که شامل عناصر فعال هاجکین- هوکسلی]۸[ می باشد. ورودیها در این مدل شامل خواص فیزیکی سلول نورونی(مانند ظرفیت غشایی) و سطح بیانگر ChR2 (یعنی تعداد ChR2 ها در واحد سطح) و متغیرهای مستقلی نظیر شدت و مدت زمان تحریک می باشند. ما میزان موثر بودن این مدل در برابر اطلاعات تجربی را نشان می دهیم و از این مدل برای بررسی نیمرخهای مختلف تحریک و اینکه چگونه ChR2 می تواند برای فراهم کردن خواص بهتر جهش پیدا کند، استفاده می کنیم.

تحریک نور سلول عصبی جهش کانال رودوپسین-۲

۲- تئوری

ChR2 یک کانال کاتیونی حساس به نور است که از جلبک سبز کلامیدوموناس رینهاردیتی بدست می آید]۱[. در طبیعت، ChR2 به جلبک کمک می کند تا خود را در شرایط فوتوسنتزی بهینه قرار دهد]۹[. بهرحال، ChR2 هنگامی که در نورونها نشانده می شود، می تواند جریانهای واقطبیدگی را در مدت چند میلی ثانیه در پاسخ به نور آبی تولید نماید. ChR2 همانند دیگر اوپسین ها نور را از طریق برهمکنش قوی آن با شبکیه جذب می کند]۱۰[ و متحمل ایزومریزاسیون سیس- ترانس میشود. ایزومریزاسیون شبکیه ای باعث میشود که مجموعه ای از پیکربندیها در پروتئین تغیر یابند و سرانجام منجر به گشودگی یک حفره رسانای یون در ساختار آن میشود. هنگامی که ChR2 در غشای نورون نشانده میشود، گشودگی حفره عملا رسانایی غشا را افزایش میدهد و منجر به ایجاد جریان بین غشایی میشود.

تحریک نور سلول عصبی جهش کانال رودوپسین-۲

۳- نتایج

الف) اجرای مدل و آزمایشهای تجربی

مدل ChR2– نورون در محیط شبیه سازی چند حوزه ای سیمولینک (MathWorks Inc.) اجرا شد. ما مدل نورون هیپوکامپال CA3 موش صحرایی را از ]۱۷[ گرفتیم. در این مورد، نورون بوسیله بخشهای ۱۹ (اجزا)- ۸ برای دندریتهای اساسی، ۱ برای دندریتهای تن و ۱۰ برای دندریتهای راس نمایش داده میشود. دینامیک الکتروفیزیولوژیکی بوسیله کانالهای یونی زیر توصیف میشود: دو نوع کانال Na⁺ (جریان گذرا)، چهار کانال K⁺ ]یکسو کننده تاخیری(DR)، گذار (A)، ابرقطبیدگی(AHP)، و ولتاژ سریع- وابسته به Ca²⁺ (C)[ ، کانال Ca²⁺ با آستانه بالا و رسانایی نشتی. مقادیر p_k ، q_k ، E_k و ￣g_k برای هر نوع کانال در جدول ۱ داده شده است.  مقدار E_leakage بصورت مجموع تمام جریانهای یونی در استراحت به صفر تنظیم میشود. توابع سرعت α_k و  β_k در جدول ۲ داده شده اند. چگالیهای رساناییهای یونی از  ]۱۷[ گرفته شده اند. این مدل از مساحت بدنی ۱۱۵۰ μm² و ظرفیت بدنی ۰٫۰۱ pF/μm² استفاده می کند. رسانایی میان جزیی   ۰٫۰۰۱ nS/μm² می باشد.

ب) تابش ثابت

در شرایط تابش ثابت (یعنی تابش پایدار)، سیستم ChR2– نورون میتواند به یک وضعیت اسپایک کردن برسد که در آن فرکانس اسپایک کردن نسبتا پایدار باقی بماند. فرکانس حالت پایا میتواند بوسیله تابش نور کنترل شود.

رابطه بین تابش نور و فرکانس اسپایک کردن حالت پایا (f-E) چیست؟

ما دو نوع مشخص از روابط f-E را همانگونه که در شکل ۵ نشان داده شده، مشاهده کردیم. یک نوع بوسیله سینتیک ChR2 و نوع دیگر بوسیله نورون محدود میشود. فاکتور کلیدی رسانایی ChR2 برای تابش نور معین است که تابعی از سطح بیانگرChR2 ، رسانایی کانال و ناحیه تابش می باشد. رابطه بین فوتوجریان و تابش در شکل ۵ (آبی) برای یک پاسخ فوتوجریان ضعیف (  در حالت اشباع) و یک پاسخ فوتوجریان قوی ( در حالت اشباع) نشان داده شده است.

ج) تابندگی(تابش) پالسی

با پالسی کردن نور به روشی که در آن (نوعا) پالس نور یک پتانسیل کار را القا می کند، الگوی یک اسپایک پیچیده میتواند حاصل شود. از آنجا که پالسی کردن نور دوره های تاریک بین اسپایک ها را امکانپذیر می سازد، سرعتهای باز شدن و بسته شدن ChR2 باید در نظر گرفته شوند. صحت ایجاد یک اسپایک به شیوه پالسی می تواند بوسیله پایداری نهفتگی های اسپایک اندازه گیری شود. یک اسپایک معتبر نهفتگی های نسبتا پابتی خواهد داشت در حالیکه یک اسپایک نامعتبر نهفتگی های مداوما در حال افزایش خواهد داشت که میتواند سرانجام منجر به از بین رفتن اسپایک شود. در بعضی موارد، صحت ایجاد اسپایک با ChR2 در فرکانس بالا قبل از اینکه حد طبیعی پاسخ نورون حاصل شود ( به عنوان مثال، Hz 30 ]2[ ، Hz 5 ]18[، Hz  ۲۰ ]۱۹ [و Hz 40 ]20[)، افت می کند. به همین دلیل، جهش زاهای سریع ChR2 اخیرا پیشنهاد شده اند (مثلا ]۲۱[). اصولا، مقدار یکسانی از انرژی نوری میتواند با استفاده از تابندگی با شدت بالا، سریع تحویل یابد یا با استفاده از تابندگی با شدت کم، آهسته تحویل یابد.

چه تابشی بهترین صحت اسپایک را ایجاد می کند؟

نتایج ما نشان میدهند که تابشهای کوتاه و قوی اسپایک بهتری ایجاد می کند زیرا این تابشها میتوانند دوره های نهفتگی های کوچکتر و دوره های بازیابی طولانی تری را بین پتانسیل های کار که به پایداری اسپایک کمک می کند، ایجاد نمایند. این مورد برای مثال شبیه سازی در شکل ۷ (الف) و برای مثال تجربی در شکل ۷ (ب) نشان داده شده است. پالسهای نوری کوتاه میتوانند به جلوگیری از اسپایک های ثانویه نیز کمک نمایند. رها سازی (راه اندازی) اسپایک های اضافی در هر پالس نوری زمان بازیابی سیستم را کاهش میدهد و تولید اسپایک های متوالی را به تاخیر می اندازد. این امر هماطور که به صورت تجربی در شکل ۷ (ب) نشان داده شده، میتواند اسپایک را ناپایدار کرده و سرانجام منجر به از بین رفتن اسپایک شود. در طی شروع اولین پتانسیل کار، پاسخ ChR2 بیشینه است زیرا این سیستم در حالت پایه است (انطباق یافته تاریک) و پنانسیل غشایی عصبی بزرگترین شیب الکتریکی را در عرض کانالها دارد. در این نقطه آسیب پذیری نورون نسبت به اسپایک نیز بالاست زیرا از استراحت شروع میشود. بنابراین، همانگونه که برای مثال شبیه سازی در شکل ۷ (پ) نشان داده شده، صحت اسپایک میتواند بوسیله زمان بندی پیک رسانایی ChR2 نسبت به نقطه ای که در آن حساسیت عصبی پایین است، اصلاح شود. در اینجا، کوتاه کردن اولین پالس نوری،  جابجایی رسانایی پیک ChR2 به اول اسپایک ثانویه که در آنجا آستانه اسپایک کردن بطور قابل توجهی بزرگتر است را امکانپذیر می سازد.  این امر به کوتاه کردن نهفتگیها در امتداد مسیر اسپایک کمک می کند و صحت اسپایک را اصلاح می کند.

د) راهکارهای جهش

از  زمان آغاز حوزه اوپتوژنتیک تاکنون تلاشهای گسترده ای برای جهش کردن ChR2 اولیه صورت گرفته است ]۲۴[–]۲۱[ . هدف از این تلاشها چنین هستند: ۱) کاهش تجهیزات نور ۲) اجرای بهتر در فرکانسهای بالا و ۳) جابجایی قرمز طیف جذبی نور. کاهش تابش و تولید اوپسین های با جابجایی قرمز خطر آسیب فوتوشیمیایی به سلولهای عصبی را کاهش میدهد. این امر برای کاربردهای بالینی آینده ضروری است. یه عنوان مثال، اندامهای مصنوعی شبکیه ای، میانگین نور اصلاح شده به صورت طیفی نباید از ۲mJ/mm² در هر دوره –s 000 10 تجاوز نماید ]۳[ . این امر تابع انتگرالی تابش را در هر ناحیه خاص قویا محدود می سازد. کاهش تابندگی(تابش) نیز مهم است زیرا محدوده منبع نور را افزایش میدهد و میتواند به صورت بالقوه برای تحریک بکار برده شود. به عنوان نمونه، LED آلی انعطاف پذیر ممکن است راه حل جذابی برای کاربردهای “نوروپروستتیک” را ارائه دهد. کاهش تابش نور نیز بر دینامیک پاسخ ChR2 اثر می گذارد. اولا، ChR2 انطباق ضعیفتری (یعنی نسبت فلات/پیک بالا)در تابندگی های پایین نشان میدهد، مثلا برای E < 0.1mW/mm² نسبت فلات/پیک ChR2 بیش از ۹۰% است.

جهشهای ChR2 تا چه اندازه میتوانند آستانه تابش را کاهش دهند؟

ما اثر جهش ChR2 بر روی تابش آستانه را بررسی کرده ایم. بزرگی پاسخ ChR2 به گونه ای تنظیم میشود (از طریق مقدار G_max ) که آستانه تابش برای ایجاد یک اسپایک مجزا با پالس –ms 5  ،  ۱mW/mm² (یک آستانه نوعی برای ChR2 ]25[ ) باشد. در این مورد، بازده جریان تحت تابش ۴۰mW/mm² در گره ولتاژ −۶۵-mV برای پیک و فلات به ترتیب ۶۳۰ و –pA 350 می باشد. این جریانها منطقی هستند زیرا ما در آزمایشهای خود پیکهای فوتوجریان را در محدوده ۴۰۰ و pA 2700 و فلاتها در محدوده ۲۰۰ و pA 1200 مشاهده کرده ایم. این سطح پاسخ ChR2 دینامیک اسپایکی ایجاد می کند که بوسیله ChR2 محدود میشود. یک نور در حال اشباع شدگی ثابت اسپایک حالت پایای –Hz20 خارج از ماکزیمم Hz 70 را تولید کرد که توانایی شلیک به نورون را دارد. ما اثر جهشهای ChR2 را بر روی آستانه برای تولید یک پتانسیل کار مجزا با استفاده از پالس –ms 5 ، یک اسپایک حالت پایای  –Hz 10 با استفاده از یک تابش ثابت و یک اسپایک –Hz 40 با استفاده از پالسهای –ms 5 بررسی کرده ایم. ما پالسهای –ms 5  را انتخاب کرده ایم زیرا نهفتگیهای اسپایک طولانی تر میتوانند کنترل موقتی بر روی اسپایکها را ضمانت نمایند. فرکانسهای اسپایکی که برای آزمایش انتخاب شده اند، نزدیک اشباع هستند، یک WT ChR2 به ۲۰ وmW/mm² 15 نیاز دارد تا به ترتیب Hz 10 را در شیوه پیوسته و Hz 40 را در شیوه پالسی القا نماید.

تحریک نور سلول عصبی جهش کانال رودوپسین-۲

۴- نتیجه گیری

این تحقیق مدلی را ارائه میدهد که پاسخ نورونهای بیانگر – ChR2 به محرک نور را توصیف می کند. تبدیل نور به رسانایی بوسیله دو شاخه میان اتصالی حالتهای باز و بسته نشان داده میشود. سپس رسانایی القا شده با نور بوسیله تابع ولتاژ نوع دیودی اصلاح میشود تا منحنی ولتاژ – جریان یکسو کننده بطرف داخل را همانطور که بصورت تجربی نشان داده شده، نشان دهد. رسانایی یونی حاصله با مدل عصبی نوع هاجکین- هوکسلی همراه با کانالهای یونی محلی تلفیق میشود.

در تابشهای با شیوه پالسی، هنگامی که خصوصیات سیستم ChR2 – نورون در نظر گرفته میشود، بازده اسپایک کردن بهتری حاصل میشود. پالسهای کوتاه و شدید میتوانند بوسیله حفظ نهفتگیهای کوچک و جلوگیری از اسپایکهای ثانویه، به پایدارسازی دینامیک اسپایک کمک نمایند. اسپایک می تواند بوسیله زمان بندی رسانایی پیک ChR2 با حساسیت پایین نورون نیز پایدار شود.

تحریک نورونها از طریق ChR2 از تکنیکهای تزریق جریان متداول دینامیک متفاوتی دارد. در طی تحریک، به علت مکانیسم انطباق ذاتی ChR2 ، تا نیمی از رسانایی ChR2 میتواند از دست برود و به خاطر بازیابی ناکامل پتانسیل استراحت بین اسپایک ها، تا نیمی از نیروی محرکه در عرض کانال آن میتواند از دست برود. در نتیجه بازده واقطبیدگی ChR2 در طی فرایند تحریک میتواند با فاکتور ۴ (۴ برابر) افت نماید. یک راه حل میتواند جبران افت بازده بوسیله افزایش تابش تابندگی با همان مقدار باشد. راه حل دیگر ایجاد (توسعه) جهشی از ChR2 است که از طریق انطباق پیش نمی رود. پیشنهاد دیگر آنست که چون انطباق ChR2 در سطوح تابش پایین خیلی کوچک است (مثلا کمتر از ۱۰%  در تابشهای کوچکتر از ۰٫۱mW/mm² )، کاهش تابش آستانه عملا ChR2 را حذف خواهد کرد. 

در نتیجه، اوپتوژنتیک یک تکنولوژی عصبی جدید، به سرعت در حال توسعه و بسیار برجسته است که کاربردهای مهمی در تحقیقات بنیادی علم عصب و در اندامهای مصنوعی عصبی دارد. طراحی جهش زاهای متفاوت کانال رودوپسین ها و دیگر کانالها و پمپهای یونی حساس به نور اینک کاملا در دسترس زیست شناسی مولکولی پیشرفته است. این مدل و نتایج ارائه شده در این تحقیق میتوانند به تفسیر نتایج تجربی، پروتکل های طراحی تابش و جستجوی راهکارهای جدید در حوزه اوپتوژنتیک شکوفا کمک نمایند.